无机非金属材料与工艺

1、目录 一.无机非金属材料定义 二.起源及发展历史 三.材料特性及生产工艺 四.光导纤维一.无机非金属材料定义 无机非金属材料(inorganic nonmetallic materials)是以某些元素的氧化物、碳化物、氮化物、卤素化合物、硼化物以及硅酸盐、铝酸盐、磷酸盐、硼酸盐等物质组成的材料。是除有机高分子材料和金属材料以外的所有材料的统称。无机非金属材料的提法是20世纪40年代以后，随着现代科学技术的发展从传统的硅酸盐材料演变而来的。无机非金属材料是与有机高分子材料和金属材料并列的三大材料之一。常见的几种无机非金属材料1.水泥2.玻璃3.陶瓷LOGO二.起源及发展历史n 旧石器时代人们用

2、来制作工具的天然石材是旧石器时代人们用来制作工具的天然石材是最早的无机非金属材料。在公元前最早的无机非金属材料。在公元前60006000前前50005000年中国发明了原始陶器。中国商代（约公元前年中国发明了原始陶器。中国商代（约公元前1717世纪初约前世纪初约前1111世纪）有了原始瓷器，并出现了世纪）有了原始瓷器，并出现了上釉陶器。以后为了满足宫廷观赏及民间日用、上釉陶器。以后为了满足宫廷观赏及民间日用、建筑的需要，陶瓷的生产技术不断发展。公元建筑的需要，陶瓷的生产技术不断发展。公元200200年（东汉时期）的青瓷是迄今发现的最早瓷年（东汉时期）的青瓷是迄今发现的最早瓷器。陶器的出现促进了

3、人类进入金属时代，中国器。陶器的出现促进了人类进入金属时代，中国夏代（约公元前夏代（约公元前2222世纪末至约前世纪末至约前2121世纪初约前世纪初约前1717世纪初）炼铜用的陶质炼锅，是最早的耐火材世纪初）炼铜用的陶质炼锅，是最早的耐火材料。铁的熔炼温度远高于铜，故铁器时代的耐火料。铁的熔炼温度远高于铜，故铁器时代的耐火材料相应地也有很大发展。材料相应地也有很大发展。1818世纪以后钢铁工业世纪以后钢铁工业的兴起，促进耐火材料向多品种、耐高温、耐腐的兴起，促进耐火材料向多品种、耐高温、耐腐 蚀方向发展。公元前蚀方向发展。公元前37003700年，埃及就开始有简单年，埃及就开始有简单的玻璃珠作

4、装的玻璃珠作装 饰品。饰品。LOGO二.起源及发展历史n 公元前公元前 1000 1000年前，中国也有了白色穿孔的年前，中国也有了白色穿孔的玻璃珠。公元初期罗马已能生产多种形式的玻璃玻璃珠。公元初期罗马已能生产多种形式的玻璃制制 品。品。1000100012001200年间玻璃制造技术趋于成熟年间玻璃制造技术趋于成熟，意大利的威尼斯成为玻璃工业中心。，意大利的威尼斯成为玻璃工业中心。16001600年后年后玻璃工业已遍及世界各地区。公元前玻璃工业已遍及世界各地区。公元前30003000前前20002000年已使用石灰和石膏等气硬性胶凝材料。随年已使用石灰和石膏等气硬性胶凝材料。随着建筑业的发

5、展，胶凝材料也获得相应的发展。着建筑业的发展，胶凝材料也获得相应的发展。公元初期有了水硬性石灰，火山灰胶凝材料，公元初期有了水硬性石灰，火山灰胶凝材料，17001700年以后制成水硬性石灰和罗马水泥。年以后制成水硬性石灰和罗马水泥。18241824年年英国英国J.J.阿斯普丁发明波特兰水泥。上述陶瓷、耐阿斯普丁发明波特兰水泥。上述陶瓷、耐火材料、玻璃、水泥等的主要成分均为硅酸盐，火材料、玻璃、水泥等的主要成分均为硅酸盐，属于典型的硅酸属于典型的硅酸LOGO二.起源及发展历史n 盐材料。盐材料。 18 18世纪工业革命以后，随着建筑世纪工业革命以后，随着建筑、机械、钢铁、运输等工业的兴起，无机非

6、金属、机械、钢铁、运输等工业的兴起，无机非金属 材料有了较快的发展，出现了电瓷、化工陶瓷、材料有了较快的发展，出现了电瓷、化工陶瓷、金属陶瓷、平板玻璃、化学仪器玻璃、光学玻璃金属陶瓷、平板玻璃、化学仪器玻璃、光学玻璃、平炉和转炉用的耐火材料以及快硬早强等性能、平炉和转炉用的耐火材料以及快硬早强等性能优异的水泥。同时，发展了研磨材料、碳素及石优异的水泥。同时，发展了研磨材料、碳素及石墨制品、铸石等。墨制品、铸石等。LOGO二.起源及发展历史n 20 20世纪以来，随着电子技术、航天、能源、世纪以来，随着电子技术、航天、能源、计算机、通信、激光、红外、光电子学、生物医计算机、通信、激光、红外、光电

7、子学、生物医学学 和环境保护等新技术的兴起，对材料提出了和环境保护等新技术的兴起，对材料提出了更更 高的要求，促进了特种无机非金属材料的迅高的要求，促进了特种无机非金属材料的迅速发展。速发展。30304040年代出现了高频年代出现了高频 绝缘陶瓷、铁绝缘陶瓷、铁电陶瓷和压电陶瓷、铁氧体（又称磁性瓷）和热电陶瓷和压电陶瓷、铁氧体（又称磁性瓷）和热敏电阻陶瓷等。敏电阻陶瓷等。50506060年代开发了碳化硅和氮化年代开发了碳化硅和氮化硅等高温结构陶瓷、氧化铝透明陶瓷、硅等高温结构陶瓷、氧化铝透明陶瓷、氧化氧化铝快离子导体陶瓷、气敏和湿敏陶瓷等。至今，铝快离子导体陶瓷、气敏和湿敏陶瓷等。至今，又出现

8、了变色玻璃、光导纤维、电光效应、电子又出现了变色玻璃、光导纤维、电光效应、电子发射及高温超导等各种新型无机材料。发射及高温超导等各种新型无机材料。三三. .材料特性及生产工艺材料特性及生产工艺 普通无机非金属材料的特点是：耐压强度高、硬度大、耐高温、抗腐蚀。此外，水泥在胶凝性能上，玻璃在光学性能上，陶瓷在耐蚀、介电性能上，耐火材料在防热隔热性能上都有其优异的特性，为金属材料和高分子材料所不及。但与金属材料相比，它抗断强度低、缺少延展性，属于脆性材料。与高分子材料相比，密度较大，制造工艺较复杂。 特种无机非金属材料的特点是：各具特色。例如：高温氧化物等的高温抗氧化特性；氧化铝、氧化铍陶瓷的高频绝

9、缘特性；铁氧体的磁学性质；光导纤维的光传输性质；金刚石、立方氮化硼的超硬性质；导体材料的导电性质；快硬早强水泥的快凝、快硬性质等。各种物理效应和微观现象。例如：光敏材料的光-电、热敏材料的热电、压电材料的力电、气敏材料的气体-电、湿敏材料的湿度-电等材料对物理和化学参数间的功能转换特性。不同性质的材料经复合而构成复合材料。例如：金属陶瓷、高温无机涂层，以及用无机纤维、晶须等增强的材料。四四. .光导纤维光导纤维发展历史 1880-AlexandraGrahamBell发明光束通话传输发明光束通话传输 1960-电射及光纤之发明。电射及光纤之发明。 1966-华裔科学家华裔科学家“光纤之父光纤之

10、父”高锟高锟 预言光纤将用于通预言光纤将用于通信。信。 1970-美国康宁公司成功研制成传输损耗只有美国康宁公司成功研制成传输损耗只有20dm/km的光纤。的光纤。 1977-首次实际安装电话光纤网路。首次实际安装电话光纤网路。 1978-FORT在法国首次安装其生产之光纤电。在法国首次安装其生产之光纤电。 1979-赵梓森拉制出我国自主研发的第一根实用光纤，赵梓森拉制出我国自主研发的第一根实用光纤，被誉为被誉为“中国光纤之父中国光纤之父”。 1990-区域网路及其他短距离传输应用之光纤。区域网路及其他短距离传输应用之光纤。 2000-到屋边光纤到屋边光纤=到桌边光纤。到桌边光纤。 2005

11、FTTH(Fiber To The Home)光纤直接到家庭。光纤直接到家庭。 光导纤维简称光纤。光导纤维简称光纤。是光通信的传输材料是光通信的传输材料。是像头发丝那样细。是像头发丝那样细的透明玻璃纤维制成的透明玻璃纤维制成的光缆。在玻璃纤维的光缆。在玻璃纤维中传导的不是电信号中传导的不是电信号,而是光信号而是光信号,故称其为故称其为光导纤维。光导纤维。光纤结构 光纤裸纤一般分为三层：中心高折射率玻璃芯（芯径一般光纤裸纤一般分为三层：中心高折射率玻璃芯（芯径一般为为50或或62.5m），中），中 间为低折射率硅玻璃包层（直径间为低折射率硅玻璃包层（直径一般为一般为125m），最外是加强用的树脂

12、涂层。），最外是加强用的树脂涂层。光导纤维及其的工作原理 丁达尔实验丁达尔实验光导纤维内芯的折射率大于外层的折射光导纤维内芯的折射率大于外层的折射率率例例1.如图所示，一透明塑料棒的折射率为如图所示，一透明塑料棒的折射率为n,光线由棒的一端面射入，当入射角光线由棒的一端面射入，当入射角i在一定在一定范围内变化时，光将全部从另一端面射出。范围内变化时，光将全部从另一端面射出。当入射角为当入射角为i时，光在棒的内侧面恰好发生时，光在棒的内侧面恰好发生全反射。全反射。 例例2.2.如图所示，一条长度为如图所示，一条长度为L L=5.0m=5.0m的光导纤维的光导纤维用折射率为用折射率为n n= =

13、的材料制成。一细束激光由其的材料制成。一细束激光由其左端的中心点以左端的中心点以= 45= 45的入射角射入光导纤维的入射角射入光导纤维内，经过一系列全反射后从右端射出。求：该内，经过一系列全反射后从右端射出。求：该激光在光导纤维中的速度激光在光导纤维中的速度v v是多大？该激光在光是多大？该激光在光导纤维中传输所经历的时间是多少？导纤维中传输所经历的时间是多少？ 2二二. .光纤通讯光纤通讯光导纤维光导纤维 光导纤维的用途非常广泛在医学上可用光导纤维窥视人光导纤维的用途非常广泛在医学上可用光导纤维窥视人体内部的情况，或把体内的病变情况用光导纤维传送出图像，体内部的情况，或把体内的病变情况用光

14、导纤维传送出图像，供医生直接观察或拍出照片以作进一步的研究如果把能量足供医生直接观察或拍出照片以作进一步的研究如果把能量足够大的激光通过光导纤维传输到人体内，还可以用激光在体内够大的激光通过光导纤维传输到人体内，还可以用激光在体内作外科手术或制止内出血，如治疗胃溃疡病人的内出血等作外科手术或制止内出血，如治疗胃溃疡病人的内出血等 用激光和光导纤维进行光纤通信，是光纤应用的一个重要用激光和光导纤维进行光纤通信，是光纤应用的一个重要方面，已取得了重大的成就光纤通信的优点很多第一，光方面，已取得了重大的成就光纤通信的优点很多第一，光纤的能量损耗低第二，光纤是电介质，绝缘性能好，不担心纤的能量损耗低第二，光纤是电介质，绝缘性能好，不担心被雷击，并能抗电磁干扰，可在有较强电磁干扰的环境中使被雷击，并能抗电磁干扰，可在有较强电磁干扰的环境中使用第三，光纤体积小、质量小、易弯曲、可组成各种光缆，用第三，光纤体积小、质量小、易弯曲、可组成各种光缆，便于敷设和维护便于敷设和维护 由于光纤通信有上述优点，在短短的几十年间已得到迅速由于光纤通信有上述优点，在短短的几十年间已得到迅速发展我国的北京、天